如何利用剩余電流監(jiān)視器確保電動汽車充電時的電氣安全

作者：Jens Wallmann

投稿人：DigiKey 歐洲編輯

電動汽車 (EV) 高壓電池的頻繁充電對充電電纜和連接器的機械應(yīng)力提出了很高的要求。如果絕緣層破損，帶電金屬部件外露，或者車載電子設(shè)備中出現(xiàn)分流，危及生命的剩余電流就會流過電動汽車用戶的身體。特別棘手的是，交流敏感式 A 型剩余電流保護器 (RCD) 無法檢測到各種形式的直流剩余電流。

為防止發(fā)生觸電事故，電動汽車電源設(shè)備 (EVSE) 制造商必須在電力電子產(chǎn)品中采用 RCD，當出現(xiàn)幾 mA 的交流和直流剩余電流時，該 RCD 可在幾毫秒內(nèi)跳閘。

本文說明了剩余電流的形式、測量方法以及在充電電路中安裝 RCD 的位置。然后，介紹了來自 [Littelfuse] 的剩余電流監(jiān)視器 (RCM)，系統(tǒng)設(shè)計人員可以利用這些監(jiān)視器為他們的 EVSE 設(shè)備增加直流電擊保護，既經(jīng)濟高效又節(jié)省時間。本文還闡述了這些電流傳感器適用于哪些電動汽車充電模式及其使用方式。

電動汽車充電電路中的剩余電流

要在高達 400 V 的交流電壓和高達 1000 V 的直流電壓下為電動汽車充電，要求電動汽車用戶在操作充電設(shè)備時采取周全保護措施。由于充電站和車載充電器會產(chǎn)生富含諧波的不對稱開關(guān)脈沖，以及幾百伏的直流鏈路電壓，可能會通過分流、耦合效應(yīng)、絕緣故障和漏電故障產(chǎn)生各種類型的交流和直流剩余電流。

整流器、開關(guān)轉(zhuǎn)換器、變頻器等電力電子電路以及逆變器和相角控制系統(tǒng)具有各種各樣的負載電流特性。由此可能產(chǎn)生的剩余電流分為正弦交流電、脈沖直流電和直式直流電。這些形式的剩余電流對人類具有危險。表 1 顯示了各種電路拓撲的典型負載電流信號，以及它們產(chǎn)生的剩余電流波形。第 1 列至第 3 列指明了適合用于檢測的 RCD 類型。

表 1：故障電流形式以及最合適對其進行檢測的 RCD 類型（第 1 列至第 3 列）。（圖片來源：維基百科）

充分了解剩余電流波形，可以幫助電動汽車維修店和電工監(jiān)測電動汽車電路板電子元件、EVSE 或充電站中的剩余電流。

各種 RCD 類型的跳閘特性

一般來說，電氣設(shè)備的個人電擊防護由 IEC 60479 和 UL 943 標準規(guī)定。這兩項標準規(guī)定的重要交流和直流剩余電流范圍分別為 6、30、100、300、500 和 1000 mA，跳閘時間為 20 至 500 ms。電動汽車充電電路中的常見跳閘閾值為 6 mA 直流和 30 mA 交流。

現(xiàn)在，系統(tǒng)設(shè)計人員只需選擇適當標準的 RCD 類型，即可在充電電路中輕松實現(xiàn)特定個人保護要求。表 2 列出了不同類型 RCD 或接地故障斷路器 (GFCI) 的剩余電流形式和跳閘容差。

表 2：不同類型 GFCI 或 RCD 的跳閘特性。（表格來源：abb.com）

在電動汽車充電電路中安裝 RCD

A 型或 F 型 RCD 只能檢測交流剩余電流和直流脈動電流，不足以保護電動汽車充電電路。我們還必須考慮在車載充電器或電池管理系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種直流剩余電流。

因此，IEC 62196 標準定義了兩個剩余電流保護選項：使用全電流敏感的 B 型 RCD（或 B+ 型），或者結(jié)合使用 A 型 RCD 與符合 IEC 62955 標準且 IΔn DC ≥ 6 mA 的剩余直流監(jiān)測系統(tǒng)。直流故障電流監(jiān)測裝置既可安裝在暗線盒中，也可安裝在建筑電氣系統(tǒng)內(nèi)，或同時安裝在兩個位置。

由于建筑電氣系統(tǒng)中通常存在交流敏感式 A 型或 F 型 RCD，因此設(shè)計人員可以采用更為經(jīng)濟高效的方式，即在模式 3 暗線盒或充電站中，以及模式 2 充電電纜的纜上控制箱 (ICCB) 中添加 6 mA 直流剩余電流監(jiān)測裝置（圖 1，情況 2 和 3）。

圖 1：EVSE 設(shè)備必須在交流敏感式 A 型 RCD 下游添加直流 RCM（情況 2），或通過 B 型 RCD 直接連接到交流市電（情況 4）。（圖片來源：goingelectric.de）

電動汽車充電模式

電動汽車電池可以通過不同的充電模式進行充電，具體取決于可用的現(xiàn)場電源連接、連接插頭、充電電纜，以及車輛和充電站采用的充電技術(shù)。在歐洲，電能可通過單相交流電（230 V/3.6 kW）、三相交流電（400 V/22 kW）或高壓直流充電站（最高 1000 VDC/500 kW）輸入汽車。圖 2 顯示了在 IEC 61851 標準中定義的四種充電模式。

圖 2：IEC 61851 標準中定義的四種充電模式的示意圖。（圖片來源：bestchargers.eu）

模式 1（單相交流充電，最高 3.6 kW；默認充電模式）

在這種情況下，電動汽車或混合動力汽車通過一根簡單的無源電纜連接到標準的 230 V 家用插座，并通過車載充電器進行低功率充電，最大功率為 3.6 kW。這種充電方案無法為用戶提供足夠的直流剩余電流保護。通常情況下，建筑的電氣系統(tǒng)中僅安裝交流敏感式 A 型 RCD。

模式 2（通過 ICCB 充電電纜進行單相/三相交流充電，最高功率 22 kW）

在使用家用插座和三相插座為電動汽車充電時，配備了 2 型汽車插頭的模式 2 充電電纜包含一個纜上控制盒 (ICCB)，可執(zhí)行安全和通信功能，防止插座過載。

ICCB 必須集成下列保護功能：

• 確定極性和監(jiān)測保護導(dǎo)體 (PC)；中性線與 PC 之間只允許有幾歐姆的回路阻抗。
• 測試 PC 與金屬機身之間的電氣連接。
• 交流和直流剩余電流斷路器可防止電流事故。
• 在出現(xiàn)異常情況時（例如插頭觸點腐蝕或電纜斷裂導(dǎo)致電流波動），監(jiān)視/關(guān)閉充電過程。
• 監(jiān)視 ICCB 和兩個插頭內(nèi)部的溫度，必要時進行關(guān)閉。
• 充電功率控制：控制引示線 (CP) 上的下拉電阻器，向暗線盒和電動汽車發(fā)出電纜電流負載額定值信號；充電控制線 (CC) 上的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號，向電動汽車發(fā)出暗線盒充電功率能力信號。

模式 3（通過暗線盒進行單相/三相交流充電，最高功率 22 kW）

對于電動汽車充電，無源模式 3 電纜可連接到私人家庭的暗線盒或停車場的公共交流充電站。兩者都集成了與上述 ICCB 相同的保護功能。

模式 4（直接電池直流快速充電，最高功率 500 kW）

與模式 2 和模式 3 相比，電動汽車的直流高功率充電站 (DC/HPC) 可提供更高的充電電流。該超級充電器采用了電擊保護裝置，防止由于交流和直流剩余電流導(dǎo)致的電擊；不同的充電電纜始終能夠牢固連接。

測量 EVSE 電路中的交流和直流故障電流

Littelfuse Inc. 的 [RCM14 系列]RCM 可檢測交流或直流系統(tǒng)中的直流和/或交流剩余電流，并提供輸出信號來控制外部斷路裝置（斷路繼電器）。相比之下，RCD 和剩余電流斷路器 (RCCB) 集成一個斷路繼電器。

交流剩余電流使用電感式電流互感器 (CT) 來檢測。為此，電流正向?qū)Ь€ (I L ) 和電流回路導(dǎo)線 (I N ) 通過軟磁環(huán)形鐵芯饋電，導(dǎo)致兩個電流矢量通常相互補償，相加為零。如果故障電流 (I g ) 通過檢測器后面電路中的人體流入地電位端，則 RCM 或 GFCI 總電流不為零，斷路器跳閘（圖 3）。

圖 3：如果故障電流 (I g ) 通過人體流入地電位端，則 GFCI 總電流不為零，斷路器跳閘。（圖片來源：Littelfuse）

通過將磁通門磁力儀探頭集成到環(huán)形鐵芯的槽中，并采用補償線圈的方式將磁通量補償為零，CT 還可以檢測差分直流。這種方法比霍爾效應(yīng)傳感器或分流電阻器更精確，可在高達 500 A 的大直流負載電流下，檢測到 6 mA 的微弱直流故障電流。

提供斷路器控制輸出的 RCM

Littelfuse 的 RCM14 系列非常適合用于電動汽車（模式 2）和電動汽車充電站（模式 3）的 ICCB 充電電纜。它們提供三個剩余電流檢測選項，分別符合 IEC 62752（模式 2）、IEC 62955（模式 3）和 UL 2231 標準。

每個 RCM 都有一個工作 LED 和一個故障 LED。四針 JST 連接器簡化了安裝：針腳 1 和 2 用于 12 V 電源，針腳 3 用于外部功能測試，針腳 4 為開漏開關(guān)輸出，用于驅(qū)動外部斷路器，如斷路繼電器，電流最大 100 mA，電壓最高 24 V（圖 4）。

圖 4：RCM14 系列模塊有兩個 LED 狀態(tài)指示燈，可通過四針 JST 連接器輕松連接。（圖片來源：Littelfuse）

這些有源 RCM 還可用于檢測單相或多相直流系統(tǒng)中的交流和/或直流剩余電流。單相運行時，負載電流限制在 100 A，而三相運行時，負載電流限制在 40 A。它們可以處理高達 3000 A 的負載電流脈沖。

[RCM14-01]：符合 IEC 62955 標準的 6 mA DC RCM 模塊，孔徑為 14 mm

RCM14-01 剩余電流監(jiān)視器可檢測 50 Hz/60 Hz 交流系統(tǒng)中的直流故障電流。它專為電動汽車模式 3 充電站（IEC 62955 標準）開發(fā)，可在直流故障電流大于或等于 6 mA 時，斷開電動汽車的充電電路。該檢測器通過經(jīng)濟高效而簡單的方式，為建筑電氣系統(tǒng)中現(xiàn)有的 A 型和 F 型 RCD 增加了直流剩余電流監(jiān)測功能（圖 5）。

圖 5：RCM14-01 可為建筑電氣系統(tǒng)中的交流敏感式 A 型 RCD 增加 ≥ 6 mA 直流剩余電流監(jiān)測功能。（圖片來源：Littelfuse、Western Automation）

[RCM14-03]：符合 IEC 62752 標準的 6 mA 直流/30 mA 交流 RCM 模塊，孔徑為 14 mm

RCM14-03 適用于采用充電模式 2 的電動汽車的 ICCB 或集成保護裝置，可在發(fā)生交流或直流故障時中斷電動汽車的供電。

[RCM14-04]：符合 UL 2231-2 標準的 56 mA 直流/20 mA 交流 RCM 模塊，孔徑為 14 mm

RCM14-04 模塊可檢測 60 Hz 交流系統(tǒng)中的交流和直流故障電流。該模塊設(shè)計用于電動汽車充電站的充電電路中斷裝置 (CCID)，可在出現(xiàn)交流和/或直流剩余電流的情況下中斷對電動汽車的供電。

[RCM20-01]：RCM20-01 是一款剩余電流檢測器，用于檢測 50 Hz/60 Hz 交流裝置中的直流剩余電流。它主要用于模式 3 電動汽車充電站，可在直流剩余故障電流條件下斷開對電動汽車的供電。該產(chǎn)品完全符合 IEC 62955 標準。

[RCM20-03]：RCM20-03 是一款剩余電流監(jiān)視器，用于檢測 50 Hz/60 Hz 交流裝置中的直流和交流剩余電流。它主要用于模式 2 電動汽車充電站，可在直流和交流故障電流條件下斷開對電動汽車的供電。該產(chǎn)品完全符合 IEC 62752 標準，也可用于需要 30 mA 交流故障檢測的 IEC 62955 應(yīng)用。

為了集成到更大的設(shè)備電路中，以下 RCM 模塊也可作為開放式系統(tǒng)提供：

• [RCM14-01_SYS_V]、[RCM14-01_SYS_H]
• [RCM14-03_SYS_V]、[RCM14-03_SYS_H])
• [RCM14-04_SYS]

每個系統(tǒng)都由可焊接的傳感器印刷電路板和單獨的電流互感器組成（圖 6）。

圖 6：RCM14-04_SYS 模塊是由傳感器印刷電路板和電流互感器組成的開放式系統(tǒng)。（圖片來源：Littelfuse、Western Automation）

結(jié)語

交流敏感式 A 型 RCD 是建筑電氣系統(tǒng)中常見的標準裝置，但它們無法防御電動汽車充電電路中的直流剩余電流危害。綜上所述，RCM14 系列可以在 ICCB 充電電纜（模式 2）和電動汽車充電站（模式 3）中執(zhí)行必需的直流剩余電流監(jiān)控。由于 RCM14 系列只有四個連接針腳，系統(tǒng)設(shè)計人員可在其電動汽車電源設(shè)備或開放式系統(tǒng)中輕松、高效地實現(xiàn)緊湊的 RCM 模塊。